Космические заправщики



    История со спутником MUOS 5, который застрял по дороге на целевую орбиту, породила вопросы о возможности дозаправки спутников на орбите другими, специальными, спутниками. Давайте разберемся, где и как физика позволяет заправлять спутники, кого дозаправляют уже лет сорок, а также какие проекты космической дозаправки (и не только) были и планируются.

    Немного физики


    Для того, чтобы понять, кого и где можно заправлять, давайте сначала разберемся, насколько сложной является задача создания спутника-заправщика. Логично предположить, что такой танкер должен будет перемещаться между спутниками-целями и последовательно заправлять их. И тут возникает проблема расхода топлива на такие перемещения.



    На низких орбитах спутники летают в кажущемся хаосе, для перехода от одного спутника к другому нужно будет менять и высоту орбиты и наклонение. Сейчас есть хорошие онлайн-ресурсы, вы можете сами посмотреть, насколько различаются орбиты у разных спутников:
    • Здесь показывается орбита аппарата.
    • А здесь — траектория относительно вращающейся Земли.

    Если изменить высоту орбиты сравнительно дешево, например, с 200х200 км подняться на 400х400 можно, потратив по формуле



    всего 115 м/с, то с изменением наклонения все очень печально. Для круговой орбиты изменение наклонения на 45° обойдется нам по формуле



    в 11 км/с, больше, чем вывод спутника на орбиту. Отсюда следует, что:

    Спутник-танкер, способный обслуживать несколько спутников-целей, имеет смысл только для группировок спутников, находящихся в одной плоскости.


    Есть ли такие группировки? Да, есть.



    По 8 спутников в одной плоскости находятся у GPS/ГЛОНАСС. В этих плоскостях спутникам иногда приходится маневрировать для замещения вышедших из строя, но на высоте 20000 км серьезных помех нет, и топливо на поддержание орбиты тратить не надо. В одной плоскости также находятся все аппараты на геостационарной орбите. И тут как раз есть систематически действующая помеха. Из-за воздействия Луны спутникам постоянно приходится тратить топливо на поддержание требуемой точки стояния, и, учитывая надежность современных электронных компонентов, иногда бывает так, что исправный спутник сходит со своего места и перестает приносить деньги из-за закончившегося топлива.

    Вывод: Главная цель для спутников-заправщиков — геостационарная орбита.

    Немного истории




    Об этом мало задумываются, но дозаправка объектов в космосе успешно используется уже лет сорок. Правда, заправляют не спутники, а орбитальные станции. Начиная с «Салюта-6» (выведен на орбиту в 1977) советские/российские орбитальные станции дозаправляются топливом с грузовых кораблей «Прогресс». Орбитальные станции регулярно тратят топливо на подъем орбиты и маневры по уклонению от космического мусора, поэтому дозаправка продлевает срок их существования. Но «Прогрессы» работают одноразовыми заправщиками и не перелетают к другим целям. Подобное можно реализовать и для спутников, но здесь встает вопрос экономической целесообразности заправки только одной цели.

    Что же касается дозаправки именно спутников, то эта технология находится на уровне отдельных экспериментов. В 2007 году по программе Orbital Express на орбиту были запущены два специально созданных спутника — ASTRO и NEXTSat.



    На орбите ASSTRO сблизился и состыковался с NEXTSat. Затем он перелил в NEXTSat топливо (гидразин) и заменил специальный модуль ORU, который символизировал аккумуляторы спутника. Миссия прошла успешно, подобные технологии предлагалось использовать для военных спутников, но информации об их использовании с тех пор нет.



    В 2011 году последним рейсом шаттла на МКС был доставлен экспериментальный стенд Robotic Refueling Mission, на котором должны были отрабатываться технологии обслуживания и дозаправки спутников, не созданных специально для такой дозаправки. Поэтому на стенде были специальные инструменты для срезания фиксирующей заправочные горловины проволоки и откручивания крышек с уплотнителями. Вот видео с анимацией и наземными испытаниями:



    В январе 2013 года стенд был успешно испытан на МКС. Стандартные одноразовые заправочные горловины, через которые спутники заправляли на Земле, были вскрыты, и с ними успешно соединился заправочный манипулятор. В августе того же года на МКС доставили дополнительное оборудование — новые блоки со спутниковыми клапанами и горловинами, а также бороскоп для наблюдения за «починкой спутника изнутри». Но это оборудование до сих пор не испытано.

    В 2011 году канадская фирма MacDonald, Dettwiler and Associates объявила о создании спутника Space Infrastructure Servicing для геостационарной орбиты, но уже в 2012 году проект был заморожен из-за отсутствия потенциальных заказчиков.

    Немного новостей




    Летом 2016 года NASA объявило о создании спутника Restore-L, который в середине 2020-х должен будет состыковаться и дозаправить спутник дистанционного зондирования Земли Landsat-7 (запущен в 1999) на полярной орбите. Использование этой орбиты означает, что заправщик будет одноразовым, но в документах также упоминается версия Restore-G для геостационарной орбиты.

    В конце июня этого года космическое агентство Китая объявило об успешной дозаправке спутника на орбите. Два специальных спутника были запущены 25 июня на первом пуске новой ракеты-носителя «Великий поход-7». За прошедшее время не появилось фотографий или видео, логично предположить, что эксперимент был похож на Orbital Express.



    Весной этого года появились новости о подписании контракта между Orbital и Intelsat о запуске в 2018 спутника Mission Extension Vehicle, который должен будет на пять лет продлить срок службы спутника с закончившимся топливом. Интересно, что с инженерной точки зрения задача здесь будет решаться по-другому. Вместо того, чтобы заморачиваться с открытием заправочных магистралей на спутнике сложными инструментами, как это предлагается в Robotic Refuelling Mission, спутник MEV просто жестко зафиксируется о маршевый двигатель и кольцо адаптера вокруг него у спутника-цели. В результате MEV станет не танкером, а буксиром, который будет перемещать и поворачивать спутник-цель своими двигателями. Аппарат будет, скорее всего, одноразовым, но, теоретически, при наличии запаса топлива и выхода из строя цели, никто не помешает перелететь к другому спутнику.

    Немного шпионажа




    Специфика баллистики геостационарной орбиты означает, что можно, выйдя на нее и чуть-чуть затормозив, перейти на такую орбиту, которая будет посещать другие точки стояния. При необходимости можно задержаться в нужной точке, немного разогнавшись. Это свойство, удобное для спутников-танкеров, можно использовать и в менее альтруистичных интересах. Буквально на днях в космос отправились два спутника постройки уже упомянутой выше Orbital ATK. Но спутники GSSAP созданы по заказу Министерства обороны США и будут заниматься наблюдением за спутниками на геостационарной орбите с близкого расстояния. Это вторая пара таких спутников, первые два наблюдают за геостационарной орбитой уже два года. Их маневры не раскрываются широкой публике, а сами спутники слишком маленькие, чтобы быть легко замеченными астрономами-любителями. По слухам, они делают замечательные фотографии спутников на геостационарной орбите, а в недавнем пресс-релизе ВВС США говорилось, что один из свежезапущенных спутников сделает фото аварийного MUOS 5 (это возможно, когда он будет пролетать апоцентр в районе геостационарной орбиты). Одна беда — чтобы увидеть эти фотографии нам надо будет подождать много лет, пока их рассекретят.

    Заключение


    Технология дозаправки спутников еще не определилась, какой дорогой идти. Может быть, нас ждут заправщики в стиле Robotic Refuelling Mission, а, может быть, буксиры а-ля Mission Extension Vehicle. Экономическая выгода также пока неизвестна, например, в Orbital ATK сравнивают экономический эффект от обслуживания спутников с экспериментами по многоразовым ракетам-носителям Маска. Что ж, поживем — увидим.
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 40

      +7
      Спасибо за статью. При прочтении названия, у меня всплыла совсем другая ассоциация)))
      Русский космонавт Лев Андропов
      image
        +1
        Надо будет посмотреть все-таки когда-нибудь.
          +1
          Лютая клюква, но пафосная. Как всегда у американцев, в такого рода фильмах.
            +1
            Так фильм то 98 года, тогда это было модно.
            Мне, впрочем, он больше из-за саундтреков понравился :)
            0
            Вопрос из зала
            Слушаю аудио Seveneves Нила Стив(ф)енсона, оч. рекомендую. Не так пафосно и смешно как Армагедон, но имена русских космонавтов(-ок) всё-таки доставляют. Кароч там раскрыта тема точек Лагранжа как идеального места для размещения propellant depot. Вопрос — насколько это реально применимо для дозаправки реальных спутников на LEO и GSO?
              0
              Не сейчас точно. Точки Лагранжа слишком далеко что он низкой орбиты, что от ГСО.
                0
                Точки Лагранжа системы Земля-Луна? Луна же воздействует на спутники на ГСО, значит не очень далеко.
          0
          Черт, дежавю
            0
            Почему бы не совметить два подхода? Есть некая станция с запасом топлива, манипуляторами и несколькими буксирами. Буксир отправляется к цели, захватывает цель и летит к станции. Там производится заправка и затем пуск спутника. Станций может быть несколько, чтобы снизить топливозатраты. На станциях могут работать люди. Можно выполнять не только заправку, но и ремонт, апгрейд.
              +4

              Для этого придется менять орбиту целых 3 раза — это крайне неэффективно.

                +1
                Так топливо куда дешевле стоимости спутника
                  0

                  Я к тому, что одноразовый заправщик вероятно будет эффективней.

                    0
                    А если ремонтировать?
                      0
                      а телепорт для внезапно понадобившихся запчастей уже изобрели? :)
                        0
                        3D принтер https://geektimes.ru/post/253012/ (хотя так можно ремонтировать только не самые важные детали для уже работающего спутника) Топливо же не собираются телепортировать. И детали могут доставлять раз в пару месяцев. (Но я тоже сомневаюсь в этой модели)

                        Но если еще добавить хорошего управляемого робота то он может заниматься ремонтом/апгрейдом прямо на дозаправляемой цели. Тогда не нужно и буксирование и 3D принтер. (Только одноразовый дозаправщик, робота можно будет потом на МКС на балкон поставить, вдруг пригодится, правда это другая орбита.)
                    +3
                    Топливо на земле дешевое. А в космосе все что угодно дорогое.
                      +1
                      Но Маск многоразовыми первыми ступенями по тому и занимается, что и в космосе, рядом с Линией Кармана, топливо первой ступени, которая могла бы дать дополнительный дельта-v спутинику, тоже куда дешевле самой первой ступени — выгоднее некоторое количество топлива потратить на посадку.
                      Собственно, весь носитель куда дешевле, чем спутник даже если носитель одноразовый, т.е. более дорогой.
                        0
                        Не соглашусь. Запас топлива на посадку + посадочные приспособления — это потеря грузоподъемности. И считать стоимость топлива без прочих факторов не имеет смысла.
                          +1
                          Ну смотрите, стоит спутник, например, миллиард. А Falcon 9 60 миллионов. Спутник на геостационаре и сломался.
                          Математически выгодно притащить его на МКС, что бы посмотреть, что вышло из строя, и привезти на следующем грузовике в том числе и компоненты для ремонта, и даже отдельным пуском ещё один разгонник, который вытащит спутник на геостационар.
                          Слишком уж теряется стоимость носителя на фоне стоимости спутника.
                            0
                            Это-ж что за спутник связи за миллиард? Тем более на ГСО. Такие спутники сейчас чуть-ли не конвейерным способом делают. Уж не специалист, но думаю стоимость где-то в районе $100-200 млн.
                              +2
                              Это-ж что за спутник связи за миллиард?

                              Американские почти штучные военные спутники для оптической и радиоэлектронной разведки могут и не один миллиард стоить, так что, быть может, в таком случае экономический смысл имеется. Но их относительно немного и ко времени завершения боевого дежурства они заменяются более актуальными и своременными системами.

                              +2
                              Пять минут гугления говорит, что спутник Intelsat не так давно обошелся в 250 млн полностью — спутник, пусковые услуги и страховка. Так что порядок цен сильно другой. А спуск на МКС и подъем обратно — баллистическая растрата топлива.
                                0

                                Это серийный коммуникационный спутник. Как уже правильно написали выше, штучные военные спутники гораздо дороже.

                            –1
                            А полная проверка и повторная подготовка (и, возможно, ремонт) вернувшейся ступени?
                              –2
                              На МКС и могут проверить
                    –2
                    Неужели нельзя смоделировать такую орбиту геостационарного спутника, чтобы даже с учетом влияния луны орбита спутника не менялась.
                    Да, орбита будет чрезвычайно сложная, но не для этого ли у нас одни из самых мощных суперкомпьютеров трудятся?
                      +4
                      Э-э, а как вы это себе представляете? Геостационар это грубо говоря 36000х36000х0° и как вы здесь сделаете сложную орбиту для парирования Луны?
                        –2
                        Может это и невозможно, но с точки зрения незнающего меня это выглядело бы так: когда луна далеко спутник по чуть-чуть снижается, когда луна проходит над спутником он немного приподнимается. Ну как-то так. А для отклонения от 0° то же самое, учитывать чтобы действие Луны само компенсировалось. Может невозможно, а может спутник будет сильно удалятся от намеченной точки? В крайнем случае может не обязательно оставлять геостационарную орбиту, если сделать орбиту в одной плоскости с луной. (Так и не нашел бывают ли вечные орбиты и какие они)

                        P.S. Пока гуглил нашел такую желтизну: http://glavnoe.ua/news/n150386 как у них от таких заголовков красные уши не светятся (хотя может доля правды есть, но оч сомнительно, из-за такого хлама в интернете нормально погуглить нельзя).
                          +2
                          «Чуть-чуть» и «немного» не помогут. А полноценные маневры съедят топлива больше, чем вы выиграете.
                        +3
                        Это будет совсем не стационарная орбита. В худшем случае владельцам антенн придётся, проклиная хозяев спутника, раз в какое-то время (от 5 дней до 6 месяцев) заниматься перенацеливанием.
                        0
                        Поэтому на стенде были специальные инструменты для срезания фиксирующей заправочные горловины проволоки и откручивания крышек с уплотнителями.

                        А потом кто-то забыл обновить прошивку и спутник продолжает думать, что топливо кончилось. Можно, правда, инструмент-программатор добавить.

                        Хорошо хоть из-за малого количества топлива нет смысла делать спутники, ворующие провода, микросхемы и горючее.
                          +1
                          Там должны стоять датчики уровня. Да и перепрошивается спутник, если что, без особых проблем.
                            0
                            Да, конечно, должны, это я так, забывчивость до абсурда довожу.
                            0
                            кто-то забыл обновить прошивку и спутник продолжает думать, что топливо кончилось

                            Прошивка как раз прекрасно обновляется удалённо, главное, чтоб питание было. Вон даже на вояджерах, в 1977 году запущенных, что-то там меняли в настройках относительно недавно.

                            +4
                            Для круговой орбиты изменение наклонения на 45° обойдется нам по формуле… в 11 км/с, больше, чем вывод спутника на орбиту.

                            Изменять наклонение на большие углы можно другим способом. Доразогнаться почти до второй космической скорости, в верхней точке орбиты изменить направление движения (там скорость будет очень мала, так что не важно, на какой угол, можно хоть направление вращения на обратное поменять), потом в нижней точке затормозить и перейти обратно на круговую.
                            В самом оптимистичном случае на это потребуется delta v = v * ((sqrt(2)-1) * 2, или примерно 11км/с * (1.41-1)*2 = 9.1 км/с


                            P.S. Я не специалист, просто в Kerbal Space Program играл.

                              0
                              Вы правы, я там упростил ситуацию.
                                +3
                                Тут должна быть та картинка — six-words-you-never-say-at-nasa.png :)
                                0
                                А если бы топливо призводилось на Луне — стала бы заправка спутников более выгодной, чем сейчас?
                                  0

                                  Оценочно с потолка — не намного или даже хуже. Зависит от того, производятся ли заправщики на Луне, и можно ли их отправлять сгорать в атмосфере Земли после расходования запасов топлива.
                                  Дальнейшие расчёты очень приблизительные, не стоит им сильно верить:


                                  1. Запуск спутника с Луны + убирание заправщика с орбиты.
                                    вторая космическая скорость Луны 2.4 км/с, после снижения на орбиту вокруг земли придётся притормозить (ещё около 5 км/с). Чтобы затормозить и сесть после заправки на Землю (или хотя бы сгореть в атмосфере), ещё пускай 1-2 км/с Итого — 8-9 км/с.
                                  2. Запуск спутника с Луны, возвращение на Луну.
                                    добраться до спутника 2.4+5 км/с, вернуться столько же, в сумме 15 км/с.
                                  3. Запуск спутника с Земли, убирание заправщика с орбиты:
                                    как минимум 11км/с, пускай ещё 1-2 км/с на затормозить, итого 12-13 км/с

                                  Получается, если кроме топлива на Луне как-то ещё производить одноразовые заправщики — то вроде бы немного эффективнее по топливу (но поддерживать всё это производство на Луне надо ещё постараться). Иначе невыгодно.

                                  0

                                  del

                                  Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                  Самое читаемое